WO2015141680A1 - 電力変換器 - Google Patents

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power converter
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泰文 赤木
誠 萩原
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国立大学法人東京工業大学
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter, and more particularly to a modular multilevel cascade type power converter.
  • MMCC modular multilevel cascade converter
  • the MMCC is characterized in that a “cluster” (sometimes called an arm or a leg) constituting a converter is formed by cascade connection of unit cells.
  • Typical unit cells include a chopper cell CC shown in FIG. 1A and a bridge cell BC shown in FIG. 1B.
  • the chopper cell CC shown in FIG. 1A can be regarded as a part of a bidirectional chopper, two semiconductor switches SW connected in series, a DC capacitor C connected in parallel to the two semiconductor switches SW, and switching of the semiconductor switch SW. It has input / output terminals T1 and T2 for discharging from the DC capacitor C or charging the DC capacitor C according to the operation.
  • the semiconductor switch SW in this example is composed of an IGBT.
  • FIG. 1C shows a cluster CL in which a plurality of chopper cells CC shown in FIG. 1A are cascade-connected.
  • the bridge cell BC shown in FIG. 1B is equivalent to a single-phase full-bridge converter, and includes a pair of semiconductor switches SW in which two semiconductor switches SW connected in series are connected in parallel and a pair of two semiconductor switches SW. It has a DC capacitor C connected in parallel, a series connection point of each set of two semiconductor switches SW, and input / output terminals T1 and T2 for current discharged from the DC capacitor C or charged to the DC capacitor C.
  • the MMCC can be roughly classified into a star connection linear MMCC and a delta connection linear MMCC according to the connection method.
  • the MMCC can be roughly classified into a star connection linear MMCC and a delta connection linear MMCC according to the connection method.
  • the following six types of star-coupled MMCC and delta-coupled MMCC are known. Of these, four types of star-coupled MMCC and delta-coupled MMCC are disclosed in Non-Patent Document 1. ing. 1. Single star connection bridge cell MMCC (SSBC) 2. Double star connection bridge cell MMCC (DSBC) 3. Double Star Connection Chopper Cell MMCC (DSCC) 4). Triple star connection bridge cell MMCC (TSBC) 5. Single delta linear bridge cell MMCC (SDBC) 6). Double delta connection bridge cell MMCC (DDBC)
  • SSBC can be applied to a reactive power compensator (STATCOM) and a battery power storage device. Since DSBC and DSCC can connect a DC power source between the neutral points of the star connection, DC-3 phase AC power conversion can be realized. When DSBC is used, the DC power supply can be replaced with a single-phase AC power supply, and single-phase AC-three-phase AC power conversion can be realized. Since TSBC can connect a three-phase power source (or a three-phase load) between neutral points of star connection, it is possible to realize three-phase AC-three-phase AC power conversion. Since the star-connected MMCC is not related to the present invention, further explanation is omitted.
  • the SDBC is formed by delta connection of three clusters CL in which a plurality of bridge cells BC are cascade-connected, and three connection points of the delta connection are connected to each phase of a three-phase AC power source. is there.
  • FIG. 3 shows the circuit configuration in each cluster of the SDBC shown in FIG. 2A in detail. Since the SDBC can control the negative phase reactive power by controlling the circulating current in the delta connection, it is expected to be applied to the negative phase reactive power compensator for the arc furnace.
  • the phase voltage of each phase of the power supply voltage on the system side is v Su , v Sv and v Sw , and the current of each phase (
  • the power source current is referred to as i u , i v, and i w .
  • currents (hereinafter referred to as “converter currents”) that flow into the respective phases of the cluster CL from the delta connection portion of the power converter 100 are i uv , i vw, and i wu , respectively.
  • the output voltage of the cluster CL of each phase of the delta connection portion of the power converter 100 that is, the output terminals T U 1 -T U 2, T V 1 -T V 2 and T W 1 -T between the output terminals of the power converter 100.
  • line voltage at W 2 is v uv respectively, v vw and v wu,.
  • the DDBC includes six clusters CL in which a plurality of bridge cells BC are cascade-connected.
  • a set of two clusters CL connected in series is delta-connected, and three connection points of the delta-connected set are connected to the U-phase, V-phase, and W-phase of the three-phase AC power source, respectively.
  • intermediate points of the series-connected clusters CL are taken out as an R phase, an S phase, and a T phase, respectively. Therefore, DDBC can realize three-phase AC to three-phase AC power conversion, similar to TSBC.
  • the existing delta connection MMCC has a problem that it cannot realize DC-3 phase AC power conversion and single phase AC-3 phase AC power conversion that can be realized by the star connection MMCC.
  • the existing delta connection MMCC has a problem that the application field is limited as compared with the existing star connection MMCC.
  • the object of the present invention is to broaden the application field by realizing DC-3 phase AC power conversion and single phase AC-3 phase AC power conversion in the existing delta connected MMCC.
  • An object of the present invention is to provide a modular multi-level cascade power converter.
  • the first form of the power converter of the present invention that achieves the above object includes three clusters in which unit cells are cascade-connected, and the same type of power source connected to one end of each of the three clusters.
  • Delta connection is configured by connecting the terminal on the non-power supply side of one cluster to the other end of the power supply connected to the other cluster, and each of the three connection parts of the delta connection is a three-phase AC phase.
  • the power converter is characterized in that it is connected and performs power conversion between a power source and a three-phase alternating current.
  • the unit cell When the power source is a DC power source, the unit cell is a chopper cell having two semiconductor switches connected in series and a DC capacitor connected in parallel thereto, or two sets of two semiconductor switches connected in series are connected in parallel. It can be set as a bridge cell provided with the group of semiconductor switches, and the direct-current capacitor connected in parallel with this.
  • the unit cell When the power source is an in-phase AC power source, the unit cell can be a bridge cell.
  • the second form of the power converter of the present invention that realizes the above object is inserted between three clusters in which unit cells are cascade-connected and arbitrary connection points of a plurality of unit cells in the three clusters.
  • a delta connection is formed by connecting the negative-side terminals of the three clusters including the direct-current power supply to the positive-side terminals of the other clusters including the direct-current power supply.
  • the power converter is characterized in that two connection portions are respectively connected to the respective phases of the three-phase alternating current, and power conversion is performed between the direct current power source and the three-phase alternating current.
  • a third form of the power converter of the present invention that achieves the above object is inserted between three clusters in which unit cells are cascade-connected and arbitrary connection points of a plurality of unit cells in the three clusters.
  • a delta connection is formed by connecting the negative-side terminals of the three clusters including the alternating-current power supply to the positive-side terminals of the other clusters including the alternating-current power supply.
  • a power converter is configured to perform power conversion between the alternating current power source and the three-phase alternating current.
  • the unit cell When a DC power source is inserted between arbitrary connection points of a plurality of unit cells, the unit cell can be a chopper cell or a bridge cell. In addition, when an in-phase AC power supply is inserted between arbitrary connection points of a plurality of unit cells, the unit cell can be a bridge cell.
  • a DC / three-phase AC power conversion can be realized by incorporating a DC power supply in each side of the delta connection.
  • single-phase AC-three-phase AC power conversion can be realized by incorporating an in-phase AC power supply in each delta-connected side.
  • DC-three-phase AC power conversion can be realized by replacing the bridge cell of the existing single delta connection bridge cell MMCC with a chopper cell and incorporating a DC power supply in each side connected in delta connection.
  • FIG. 4 shows the positions of unit cells, reactors and DC power sources in each cluster in the circuit diagram shown in FIG.
  • FIG. 4 is an example of a circuit in which reactors and DC power sources are arranged at both ends of a plurality of cascade-connected unit cells.
  • FIG. FIG. 5 is a circuit diagram of an example in which the positions of the unit cell, the reactor, and the DC power source in each cluster in the circuit diagram shown in FIG. 4 are arranged reversely. is there.
  • FIG. 4 shows the positions of unit cells, reactors, and DC power sources in each cluster in the circuit diagram shown in FIG. 4, and the reactors and DCs are connected between any one of a plurality of unit cells connected in cascade. It is a circuit diagram of the example by which the power supply is arrange
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of the power converter 101 according to the first embodiment of the present invention.
  • a bridge cell is used as a unit cell for the three clusters CL connected in delta connection.
  • delta connection is used in the power converter 101 of the first embodiment.
  • chopper cells are used as unit cells. That is, a plurality of chopper cells are cascaded in each phase cluster CLu, CLv, and CLw.
  • the number of unit cells in each cluster is three.
  • the number of unit cells in each cluster is not intended to limit the present invention.
  • the coupling reactor of each cluster of the power converter 101 is represented by L, and the black circle (•) indicates the polarity of the coupling reactor L.
  • the system voltage of each phase of the power supply voltage on the 3 system side is v Suv , v Svw and v Swu
  • the system current is i Su , i Sv and i Sw .
  • the converter currents flowing into the clusters CLu, CLv, and CLw of each phase of the power converter 101 are i uv , i vw, and i wu , respectively.
  • the coupling reactor L in FIG. 4 has three windings, and the number of windings is the same.
  • the coupling reactor L has impedance only for the circulating currents contained in the converter currents i uv , i vw and i wu flowing through the respective clusters CLu, CLv and CLw, and the impedance for the system current component (50 Hz) is zero. is there.
  • the negative electrode of the DC power supply Vdcu is connected in series to the terminal Tu1 on the opposite side to the terminal Tu2 on the coupling reactor L side of the U-phase cluster CLu, and the positive electrode of the DC power supply Vdcu is It is connected to the delta connection part of the V-phase cluster CLv connected to the V-phase of the three-phase alternating current.
  • the negative terminal of the DC power supply Vdcv is connected in series to the terminal Tv1 on the opposite side of the terminal Tv2 on the coupling reactor L side of the V-phase cluster CLv, and the positive electrode of the DC power supply Vdcv is connected to the W phase of the three-phase AC. It is connected to the delta connection part of the phase cluster CLw.
  • the negative electrode of the DC power supply Vdcw is connected in series to the terminal Tw1 on the opposite side of the terminal Tw2 on the coupling reactor L side of the W-phase cluster CLw, and the positive electrode of the DC power supply Vdcw is connected to the U phase of the three-phase AC. It is connected to the delta connection part of the U-phase cluster CLu.
  • the power converter 101 of the first embodiment can constantly exchange power between the DC power source and the three-phase system, and can realize DC-three-phase AC power conversion.
  • the number of necessary DC power sources is three.
  • the DC power source Vdcu, the DC power source Vdcv, and the DC power source Vdw are respectively connected to the terminals Tu1, terminal Tv1, and terminals of the clusters CLu, CLv, and CLw of each phase. It is connected to the outside of Tw1.
  • FIG. 5A Only this configuration in the cluster CLu is shown in FIG. 5A.
  • the coupling reactor L is connected to the terminal Tu2 of the cluster CLu
  • the DC power source Vdcu is connected to the terminal Tu1
  • the coupling reactor L and the DC power source Vdcu are connected to the terminals Tu1 and Tu2 of the cluster CLu.
  • the coupling reactor L and the DC power supply Vdcu can be inserted at any place between the chopper cells in the cluster CLu. The same applies to the V phase and the W phase.
  • the combined reactor L can be replaced with three non-coupled reactors. Similarly to the coupled reactor L, the uncoupled reactor can be inserted at any location in the cluster. When a non-bonded reactor is used, the combined reactor shown in FIG. 4 can be removed because it also serves as a linked reactor.
  • the DC capacitor voltage of each chopper cell needs to be controlled to be constant.
  • DC voltage control four types of average value control, interphase balance control, circulating current control and individual balance control are used in combination.
  • the average value control controls the arithmetic average voltage of all DC capacitors.
  • Interphase balance control controls the power exchanged between clusters.
  • the circulating current control controls the current circulating in the delta connection.
  • Individual balance control balances the DC capacitor voltage of each chopper cell individually. Details of each control method are described in the following documents and are not directly related to the configuration of the power converter according to the present invention, and thus further explanation of the control method is omitted.
  • Table 1 shows circuit constants used in the experiment. A 200 V, 6 kW model was used for the experiment. However, the number of chopper cells to be inserted into each phase cluster was set to eight instead of three. Thus, if each phase cluster is composed of eight chopper cells, the total number of used cells is 24. Then, DC voltages Vdcu, Vduv, Vdcw of 320 V are inserted in series with each cluster.
  • FIG. 6 shows experimental results (6 kW, inverter operation, power factor-1) using the power converter 101 according to the first embodiment.
  • the voltage v uv is a multilevel waveform with 17 levels between lines, and the influence of the harmonic voltage is small.
  • the power supply current i u is advanced by 150 ° with respect to the power supply voltage (system voltage) v Suv , and an inverter operation with a power factor of ⁇ 1 is realized.
  • the current THD value (total harmonic distortion) of the current i u is 3.6%, and the influence of the harmonic current is small.
  • FIG. 7A is a circuit diagram showing a configuration of the power converter 102 according to the second embodiment of the present invention.
  • a bridge cell is used as a unit cell for the three clusters CL connected in delta connection. That is, a plurality of bridge cells are cascaded in each phase cluster CLu, CLv, and CLw.
  • each bridge cell 11u-j, 11v-j, and 11w-j (as cascaded as unit cells) are connected to the clusters CLu, CLv, and CLw of each phase.
  • FIG. 7A it is assumed that the system voltage of each phase of the power supply voltage on the system side is v Suv , v Svw and v Swu , and the system current is i Su , i Sv and i Sw .
  • the converter currents flowing into the clusters CLu, CLv, and CLw of each phase of the power converter 102 are i uv , i vw, and i wu , respectively.
  • the coupling reactor L has three windings, and the number of windings is the same.
  • the coupling reactor L has impedance only for the circulating currents contained in the converter currents i uv , i vw and i wu flowing through the respective clusters CLu, CLv and CLw, and the impedance for the system current component (50 Hz) is zero. is there.
  • one end of a single-phase AC power source V Tu is connected in series to a terminal Tu 1 on the opposite side of the coupling reactor L side Tu 2 of the U-phase cluster CLu, and the AC power source
  • the other end of V Tu is connected to the delta connection portion of the V-phase cluster CLv connected to the V-phase of the three-phase AC.
  • the other end of the AC power source V Tv is 3-phase AC Are connected to the delta connection portion of the W-phase cluster CLw connected to the W-phase.
  • the power converter 102 can constantly exchange power between the single-phase AC power source and the three-phase system, and can realize single-phase AC to three-phase AC power conversion.
  • the required number of AC power sources is three.
  • the AC power sources V Tu , V Tv, and V Tw are respectively connected to the terminals Tu1, Tv1, and terminals of the respective clusters CLu, CLv, and CLw. It is connected to the outside of Tw1.
  • the connection of the coupling reactor L and the AC power supplies V Tu , V Tv and V Tw to the terminals Tu1 and Tu2 of the cluster CLu may be reversed.
  • the coupling reactor L and the AC power sources V Tu , V Tv, and V Tw can be inserted at arbitrary positions between the bridge cells in the clusters CLu, CLv, and CLw, respectively.
  • the combined reactor L can be replaced with three non-coupled reactors. Similarly to the coupled reactor L, the uncoupled reactor can be inserted at any location in the cluster. When a non-bonded reactor is used, since it also serves as a linked reactor, the linked reactor shown in FIG. 7A can be removed.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of an example of the AC power sources V Tu , V Tv, and V Tw of the power converter 102 of the second embodiment, and shows an isolated AC power source using a single-phase transformer.
  • a single-phase AC power source or a single-phase AC load is connected to the primary winding.
  • the secondary winding is divided into three equal parts and connected to the respective clusters CLu, CLv, and CLw shown in FIG. 7A.
  • the transformer currents i uv , i vw and i wu of the respective clusters CLu, CLv and CLw flow into the secondary winding of the transformer.
  • the operating frequency of the transformer becomes equal to the power supply frequency on the primary side of the transformer or the load frequency.
  • the power converter 102 of the second embodiment shown in FIG. 7A can also be applied to a motor load.
  • the stator windings of the motor can be open-connected, and the stator windings of each phase can be divided into three equal parts and connected to each cluster as in FIG.
  • a three-phase voltage can be generated and a three-phase motor can be driven.
  • direct conversion of three-phase AC to three-phase AC can be realized without a transformer.
  • Table 2 shows circuit constants used in the simulation.
  • the secondary side winding of the transformer shown in FIG. 8 is connected to the AC power source of each phase in FIG. 7A, and a 3.3 kV, 200 Hz single phase AC power source is directly connected to the primary winding.
  • FIG. 9 shows a simulation result (1 MW, inverter operation, power factor-1) of the power converter 102 according to the second embodiment.
  • the power supply current i u is advanced by 150 ° with respect to the power supply voltage v Suv , and an inverter operation with a power factor of ⁇ 1 is realized.
  • the circulating current i Z is composed only of a 200 Hz component that is an operating frequency of the transformer, and does not include a system frequency component (50 Hz). Paying attention to the DC capacitor voltages v C1u , v C1v and v C1w , it can be seen that the DC component can be controlled to 1.8 kV.
  • the AC component is composed of a 50 Hz component that is the system frequency and a 200 Hz component that is the operating frequency of the transformer.
  • the primary voltage and the primary current of the transformer are in phase, and power is transmitted from the transformer to the system.
  • the primary frequency of the transformer does not include the system frequency (50 Hz).
  • a single-phase AC power source is connected in series with the terminals Tu1, Tv1, and Tw1 on the opposite side to the terminals Tu2, Tv2, and Tw2 on the coupling reactor L side of each phase cluster.
  • One end of V Tu , V Tv, and V Tw is connected, and the other end of the AC power supplies V Tu , V Tv, and V Tw is connected to the delta connection portion of the cluster that connects to the other phase of the three-phase AC. .
  • the negative terminals of the DC power sources Vdcu, Vdcv and Vdw are connected in series to the terminals Tu1, Tv1 and Tw1 of the clusters of the respective phases, and the DC power sources Vdcu, Vdcv are connected.
  • the power converter 103 of the third embodiment in which the positive electrode of Vdcw is connected to the delta connection part of the cluster connected to the other phase of the three-phase AC.
  • the configuration of the power converter 103 of the third embodiment is the same as that of the power converter 102 of the second embodiment except for the portion surrounded by the broken line shown in FIG. 7A. Therefore, in the configuration of the power converter 103 of the third embodiment, only a portion corresponding to a portion surrounded by a broken line in FIG. 7A is shown in FIG. 7B. With this configuration, the power converter 103 according to the third embodiment can constantly exchange power between the DC power source and the three-phase system, and can realize DC power—three-phase AC power conversion. In this configuration, since it is necessary to connect DC power sources Vdcu, Vdcv, and Vdcw to each cluster, the number of necessary DC power sources is three.
  • control of the power converter 103 of the third embodiment is the same as the control of the power converter of the second embodiment, further explanation is omitted.
  • a DC / three-phase AC power converter can be realized by incorporating a DC power supply in each side of the delta connection in the single delta connection bridge cell MMCC.
  • a single-phase AC / three-phase AC power converter can be realized by incorporating an in-phase AC power source in each side of the delta connection. If three phase AC power converters are used, a three phase AC to three phase AC power converter can be realized.
  • DC / three-phase AC power conversion can be realized by replacing the bridge cell of the existing single delta connection bridge cell MMCC with a chopper cell and incorporating a DC power source in each side of the delta connection. With these configurations, the application fields of MMCC can be expanded.
  • 11u-j, 11v-j, 11w-j Unit cell (chopper cell, bridge cell) 100, 101, 102, 103 Power converter BC Bridge cell CC Chopper cell C DC capacitor CL, CLu, CLv, CLw Cluster L Coupling reactor MMCC Modular multi-level cascade converter SDBC Single delta linear bridge cell MMCC SW Semiconductor switch Vdcu, Vduv, Vdcw DC power supply V Tu , V Tv, V Tw AC power supply

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Abstract

　単位セルがカスケード接続された３つのクラスタＣＬｕ，ＣＬｖ，ＣＬｗと、３つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、３つのクラスタの非電源接続側の端子を、他のクラスタに接続された電源の他端に接続してデルタ結線を行い、デルタ結線の３つの結線部をそれぞれ３相交流の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに接続し、電源と３相交流との間で電力変換を行えるようにした電力変換器である。電源を直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ，Ｖｄｃｗとすれば、直流電源と３相交流電源との電力変換が行え、電源を同相の単相交流電源とすれば、単相交流電源と３相交流電源又は３相交流電源との間の電力変換が行える。

Description

電力変換器
　本発明は、電力変換器に関し、特に、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器に関する。
　近年、高圧大容量用途に適した次世代トランスレス電力変換器として、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ：Modular Multilevel Cascade Converter）がある。ＭＭＣＣは、変換器を構成する「クラスタ（Cluster）」（アーム又はレッグと呼ばれることもある）を単位セルのカスケード接続により形成する点に特徴がある。代表的な単位セルとしては、図１Ａに示すチョッパセルＣＣと、図１Ｂに示すブリッジセルＢＣがある。
　図１Ａに示すチョッパセルＣＣは双方向チョッパの一部と見なすことができ、直列接続された２つの半導体スイッチＳＷと、２つの半導体スイッチＳＷに並列接続された直流コンデンサＣと、半導体スイッチＳＷのスイッチング動作に応じて直流コンデンサＣから放電若しくは直流コンデンサＣへ充電される電流の入出力端子Ｔ１，Ｔ２とを有する。この例の半導体スイッチＳＷは、ＩＧＢＴから構成されている。図１Ｃは図１Ａに示したチョッパセルＣＣを複数個カスケード接続したクラスタＣＬを示す。
　図１Ｂに示すブリッジセルＢＣは単相フルブリッジ変換器と等価であり、直列接続された２つの半導体スイッチＳＷを２組並列接続した半導体スイッチＳＷの組と、２組の半導体スイッチＳＷの組に並列に接続された直流コンデンサＣと、２つの半導体スイッチＳＷの各組の直列接続点と、直流コンデンサＣから放電若しくは直流コンデンサＣへ充電される電流の入出力端子Ｔ１，Ｔ２とを有する。
　ＭＭＣＣは、結線方法によりスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣに大別できる。現在までに、以下のような６種類のスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣが知られているが、このうちの４種類のスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣが非特許文献１に開示されている。
　　１．シングルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＳＢＣ）
　　２．ダブルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＳＢＣ）
　　３．ダブルスター結線形チョッパセルＭＭＣＣ（ＤＳＣＣ）
　　４．トリプルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＴＳＢＣ）
　　５．シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＤＢＣ）
　　６．ダブルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＤＢＣ）
　ここで、スター結線形のＭＭＣＣの用途について説明する。ＳＳＢＣは、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や、電池電力貯蔵装置への適用が可能である。ＤＳＢＣとＤＳＣＣは、スター結線の中性点間に直流電源を接続できるので、直流－３相交流電力変換が実現できる。ＤＳＢＣを用いた場合は、直流電源を単相交流電源に置き換えることが可能であり、単相交流－３相交流電力変換が実現可能である。ＴＳＢＣは、スター結線の中性点間に３相電源（又は３相負荷）を接続できるので、３相交流－３相交流電力変換が実現可能である。スター結線形のＭＭＣＣは本発明には関係しないので、これ以上の説明は省略する。
　次に、デルタ結線形のＭＭＣＣの用途について説明する。ＳＤＢＣは、図２Ａに示すように、複数のブリッジセルＢＣがカスケード接続された３つのクラスタＣＬがデルタ結線され、デルタ結線の３つの接続点が３相交流電源の各相に接続されたものである。また、図３は、図２Ａに示したＳＤＢＣの各クラスタ内の回路構成を詳細に示したものである。ＳＤＢＣは、デルタ結線内の循環電流を制御することにより、逆相無効電力を制御できるので、アーク炉用逆相無効電力補償装置への適用が期待されている。
　図３に示すシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ１００（以後電力変換器１００と記す）において、系統側の電源電圧の各相の相電圧がｖSu、ｖSv及びｖSwであり、各相の電流（以下、「電源電流」と称する。）がｉu、ｉv及びｉwである。また、電力変換器１００のデルタ結線部から各相のクラスタＣＬにそれぞれ流入する電流（以下、「変換器電流」と記す）が、それぞれｉuv、ｉvw及びｉwu、である。また、電力変換器１００のデルタ結線部の各相のクラスタＣＬの出力電圧、即ち電力変換器１００の出力端子間ＴU１－ＴU２，ＴV１－ＴV２及びＴW１－ＴW２における線間電圧がそれぞれｖuv、ｖvw及びｖwu、である。また、各ブリッジセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ内の直流コンデンサの電圧がｖCju、ｖCjv及びｖCjw（ただし、ｊ＝１～３）である。
　一方、ＤＤＢＣは、図２Ｂに示すように、複数のブリッジセルＢＣがカスケード接続された６つのクラスタＣＬを備えている。ダブルデルタ結線では、直列接続された２つのクラスタＣＬの組がデルタ結線され、デルタ結線された組の３つの接続点が３相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ接続されている。そして、直列接続されたクラスタＣＬの中間点が、それぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相として取り出される。従って、ＤＤＢＣは、ＴＳＢＣと同様に、３相交流－３相交流電力変換が実現可能である。
赤木泰文、萩原誠著、「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ）の分類と名称」、電気学会全国大会、ｎｏ．４－０４３、ｐｐ７１～７２、２０１０年３月
　しかしながら、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣは、スター結線形ＭＭＣＣでは実現可能な直流－３相交流電力変換と、単相交流－３相交流電力変換が実現できないという問題点がある。この結果、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣは、既存のスター結線形ＭＭＣＣと比較して、応用分野が限られるという課題があった。
　従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣにおいて、直流－３相交流電力変換と単相交流－３相交流電力変換を実現することにより、応用分野を広げることができる、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器を提供することにある。
　上記目的を実現する本発明の電力変換器の第１の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、３つのクラスタの非電源接続側の端子が、他のクラスタに接続された電源の他端に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。
　電源を直流電源とした場合は、単位セルを、直列接続された２つの半導体スイッチとこれに並列接続された直流コンデンサとを備えるチョッパセル、又は直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組とこれに並列に接続された直流コンデンサとを備えるブリッジセルとすることができる。また、電源を同相の交流電源とした場合に、単位セルをブリッジセルとすることができる。
　上記目的を実現する本発明の電力変換器の第２の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタ内の複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された直流電源とを備え、前記直流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記直流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、直流電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。
　上記目的を実現する本発明の電力変換器の第３の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタ内の複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された同相の交流電源とを備え、前記交流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記交流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、交流電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。
　複数の単位セルの任意の接続点の間に直流電源を挿入した場合は、単位セルをチョッパセル又はブリッジセルとすることができる。また、複数の単位セルの任意の接続点の間に同相の交流電源を挿入した場合は、単位セルをブリッジセルとすることができる。
　本発明によれば、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより直流－３相交流電力変換を実現することができる。また、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線された各辺内に同相の交流電源を組み込むことによりと単相交流－３相交流電力変換を実現することができる。更に、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣのブリッジセルをチョッパセルに置き換え、デルタ結線された各辺内に直流電源を組み込むことにより直流－３相交流電力変換を実現することができる。そして、これらの構成により、ＭＭＣＣの応用分野を広げることができるという効果がある。
チョッパセルの構成を示す回路図である。 ブリッジセルの構成を示す回路図である。 複数のチョッパセルをカスケード接続して形成されたクラスタの一例を示す回路図である。 既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＤＢＣ）の構成を示す回路図である。 既存のダブルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＤＢＣ）の構成を示す回路図である。 図２Ａに示したＳＤＢＣの、各クラスタ内の回路を詳細に示す回路図である。 本発明の第１の実施例の電力変換器の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、カスケード接続された複数の単位セルの両端部にリアクトルと直流電源が配置された例の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、図５Ａに示す回路とリアクトルと直流電源の位置が逆に配置された例の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、カスケード接続された複数の単位セルの何れかの単位セルと単位セルの間にリアクトルと直流電源が配置された例の回路図である。 本発明の第１の実施例による電力変換器を用いて行った実験の実験結果の波形を示す図である。 本発明の第２の実施例の電力変換器の回路図である。 本発明の第３の実施例の電力変換器の回路を示す部分回路図である。 本発明の第２の実施例の電力変換器の交流電源の一例の回路図である。 本発明の第２の実施例による電力変換器を用いて行ったシミュレーション結果の波形を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態をいくつかの実施例に基づいて説明する。なお、図３で説明した既存のＳＤＢＣの回路における構成要素と同じ構成要素には同じ参照符号を付して説明する。
　図４は、本発明の第１の実施例の電力変換器１０１の構成を示す回路図である。図３に示した既存の電力変換器１００では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてブリッジセルが使用されていたが、第１の実施例の電力変換器１０１では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてチョッパセルが使用されている。即ち、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗにおいて、チョッパセルは複数個がカスケード接続されて設けられる。
　図４に示す第１の実施例の電力変換器１０１では、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、単位セルとしてカスケード接続された３つのチョッパセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ（ただし、ｊ＝１～３）がそれぞれ設けられている。以下、本発明の実施例においては各クラスタ内の単位セルの個数を３個として説明するが、各クラスタ内の単位セルの個数は本発明を限定するものではない。なお、図４において、電力変換器１０１の各クラスタの結合リアクトルはＬで表しており、黒丸（・）は、結合リアクトルＬの極性を示している。
　各チョッパセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ（ただし、ｊ＝１～３）の構造は図１Ａで説明した通りである。図４においては、３系統側の電源電圧の各相の系統電圧をｖSuv、ｖSvw及びｖSwu、系統電流をｉSu、ｉSv及びｉSwとする。また、電力変換器１０１の各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、それぞれ流入する変換器電流をｉuv、ｉvw及びｉwuとする。また、各ブリッジセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ内の直流コンデンサの電圧をｖCju、ｖCjv及びｖCjw（ただし、ｊ＝１～３）とする。
　図４における結合リアクトルＬは３巻線を有し、巻線数はそれぞれ等しい。結合リアクトルＬは、各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗを流れる変換器電流ｉuv、ｉvw及びｉwuに含まれる循環電流に対してのみインピーダンスを有し、系統電流成分（５０Ｈｚ）に対するインピーダンスはゼロである。循環電流ｉZは以下の式で定義される。
　　　　　　ｉZ＝（ｉUV＋ｉVW＋ｉWU）÷３
　第１の実施例の電力変換器１０１では、Ｕ相のクラスタＣＬｕの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２と反対側の端子Ｔｕ１に直列に直流電源Ｖｄｃｕの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｕの正極は、３相交流のＶ相に接続するＶ相のクラスタＣＬｖのデルタ結線部に接続している。また、Ｖ相のクラスタＣＬｖの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｖ２と反対側の端子Ｔｖ１に直列に直流電源Ｖｄｃｖの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｖの正極は、３相交流のＷ相に接続するＷ相のクラスタＣＬｗのデルタ結線部に接続している。同様に、Ｗ相のクラスタＣＬｗの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｗ２と反対側の端子Ｔｗ１に直列に直流電源Ｖｄｃｗの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｗの正極は、３相交流のＵ相に接続するＵ相のクラスタＣＬｕのデルタ結線部に接続している。
　第１の実施例の電力変換器１０１は、この構成により、直流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、直流－３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに直流電源を接続する必要があるため、必要な直流電源数は３となる。
　なお、図４に示した第１の実施例の電力変換器１０１では、直流電源Ｖｄｃｕ、直流電源Ｖｄｃｖ及び直流電源Ｖｄｃｗが、それぞれ各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの端子Ｔｕ１、端子Ｔｖ１及び端子Ｔｗ１の外部に接続されている。クラスタＣＬｕにおけるこの構成のみを図５Ａに示す。図５Ａに示す構成では、結合リアクトルＬがクラスタＣＬｕの端子Ｔｕ２に接続され、直流電源Ｖｄｃｕが端子Ｔｕ１に接続されているが、結合リアクトルＬと直流電源Ｖｄｃｕの、クラスタＣＬｕの端子Ｔｕ１、Ｔｕ２への接続は、図５Ｂに示すように逆でも良い。Ｖ相とＷ相についても同様である。
　また、結合リアクトルＬと直流電源Ｖｄｃｕは、図５Ｃに示すように、クラスタＣＬｕ内のチョッパセルとチョッパセルの間の任意の場所に挿入することができる。Ｖ相とＷ相についても同様である。
　結合リアクトルＬは、３個の非結合リアクトルに置き換えることが可能である。非結合リアクトルも結合リアクトルＬと同様、クラスタ内の任意の箇所に挿入することが可能である。非結合リアクトルを使用した場合は、連系リアクトルの役割を兼ねるため、図４に示した連系リアクトルを除去することができる。
　図４に示した第１の実施例の電力変換器１０１を正常動作させるためは、各チョッパセルの直流コンデンサ電圧を一定に制御する必要がある。直流電圧制御には、平均値制御、相間バランス制御、循環電流制御及び個別バランス制御の４種類を併用する。平均値制御は、全直流コンデンサの算術平均電圧を制御する。相間バランス制御は、クラスタ間で授受する電力を制御する。循環電流制御は、デルタ結線内を循環する電流を制御する。個別バランス制御は、各チョッパセルの直流コンデンサ電圧を個別にバランスさせる。各制御法の詳細に関しては、下記文献に記載されており、本願発明の電力変換器の構成には直接関係しないので、制御法についてはこれ以上の説明は省略する。
　『萩原誠、赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電学論Ｄ，１２８，７、ｐｐ．９５７－９６５（２００８－７）』
　『萩原誠、前田亮、赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ－ＳＤＢＣ）のＳＴＡＴＣＯＭへの応用―有効電力・逆相無効電力制御―」電学論Ｄ，１３１，１２、ｐｐ．１４３３－１４４１（２０１１－１２）』
　次に、本発明の第１の実施例による電力変換器１０１を用いた実験結果について説明する。表１に、実験に用いた回路定数を示す。実験には２００Ｖ，６ｋＷのモデルを使用した。但し、各相のクラスタに挿入するチョッパセルの個数を３個ではなく８個とした。このように、各相のクラスタを８個のチョッパセルで構成すると、使用セルの総和は２４個である。そして、各クラスタと直列に３２０Ｖの直流電圧Ｖｄｃｕ，Ｖｄｕｖ，Ｖｄｃｗを挿入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図６に第１の実施例による電力変換器１０１を用いた実験結果（６ｋＷ、インバータ動作、力率―１）を示す。電圧ｖuvは線間１７レベルのマルチレベル波形となり、高調波電圧の影響は少ない。電源電圧（系統電圧）ｖSuvに対して電源電流ｉuは１５０°進んでおり、力率－１のインバータ動作を実現している。電流ｉuの電流ＴＨＤ値（全高調波歪率）は３．６％であり、高調波電流の影響は少ない。循環電流の実効値はＩZ＝６．２５Ａ（＝６ｋＷ／（３×３２０Ｖ））となる。直流コンデンサ電圧ｖC1u，ｖC1v，ｖC1wに着目すると、その直流分は８０Ｖに制御されていることが分かる。
　図７Ａは、本発明の第２の実施例の電力変換器１０２の構成を示す回路図である。第２の実施例の電力変換器１０２では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてブリッジセルが使用されている。即ち、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗにおいて、ブリッジセルは複数個がカスケード接続されて設けられる。
　図７Ａに示す第２の実施例の電力変換器１０２では、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、単位セルとしてカスケード接続された３つのブリッジセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ（ただし、ｊ＝１～３）がそれぞれ設けられている。各ブリッジセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ（ただし、ｊ＝１～３）の構造は、図１Ｂで説明した通りである。図７Ａにおいては、系統側の電源電圧の各相の系統電圧をｖSuv、ｖSvw及びｖSwu、系統電流をｉSu、ｉSv及びｉSwとする。また、電力変換器１０２の各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、それぞれ流入する変換器電流をｉuv、ｉvw及びｉwuとする。更に、各ブリッジセル１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ及び１１ｗ－ｊ内の直流コンデンサの電圧をｖCju、ｖCjv及びｖCjw（ただし、ｊ＝１～３）とする。
　結合リアクトルＬは３巻線を有し、巻線数はそれぞれ等しい。結合リアクトルＬは、各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗを流れる変換器電流ｉuv、ｉvw及びｉwuに含まれる循環電流に対してのみインピーダンスを有し、系統電流成分（５０Ｈｚ）に対するインピーダンスはゼロである。循環電流ｉZは以下の式で定義される。
　　　　　　ｉZ＝（ｉUV＋ｉVW＋ｉWU）÷３
　第２の実施例の電力変換器１０２では、Ｕ相のクラスタＣＬｕの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２と反対側の端子Ｔｕ１に直列に、単相の交流電源ＶTuの一端を接続し、交流電源ＶTuの他端は、３相交流のＶ相に接続するＶ相のクラスタＣＬｖのデルタ結線部に接続している。また、Ｖ相のクラスタＣＬｖの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｖ２と反対側の端子Ｔｖ１に直列に、単相の交流電源ＶTvの一端を接続し、交流電源ＶTvの他端は、３相交流のＷ相に接続するＷ相のクラスタＣＬｗのデルタ結線部に接続している。同様に、Ｗ相のクラスタＣＬｗの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｗ２と反対側の端子Ｔｗ１に直列に、単相の交流電源ＶTwの一端を接続し、交流電源ＶTwの他端は、３相交流のＵ相に接続するＵ相のクラスタＣＬｕのデルタ結線部に接続している。なお、交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwは全て同相である。
　第２の実施例の電力変換器１０２は、この構成により、単相交流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、単相交流－３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに単相交流電源を接続する必要があるため、必要な交流電源数は３となる。
　なお、図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２では、交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwが、それぞれ各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの、端子Ｔｕ１、端子Ｔｖ１及び端子Ｔｗ１の外部に接続されている。しかし、第１の実施例の直流電源と同様に、結合リアクトルＬと交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwの、クラスタＣＬｕの端子Ｔｕ１、Ｔｕ２への接続は逆でも良い。更に、結合リアクトルＬと交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwは、クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗ内のブリッジセルとブリッジセルの間の任意の場所にそれぞれ挿入することが可能である。
　結合リアクトルＬは、３個の非結合リアクトルに置き換えることが可能である。非結合リアクトルも結合リアクトルＬと同様、クラスタ内の任意の箇所に挿入することが可能である。非結合リアクトルを使用した場合は、連系リアクトルの役割を兼ねるため、図７Ａに示した連系リアクトルを除去することができる。
　図８は、第２の実施例の電力変換器１０２の交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwの一例の回路図であり、単相変圧器を用いた絶縁交流電源を示している。１次巻線には単相交流電源又は単相交流負荷を接続する。２次巻線は３等分し、図７Ａに示した各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに接続する。変圧器の２次巻線には，各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの変換器電流ｉuv，ｉvw及びｉwuが流入する。変換器電流ｉuv，ｉvw及びｉwuに含まれる系統電流成分（５０Ｈｚ）は互いに打ち消し合うため、変圧器に起磁力が生じない。その結果、変圧器の動作周波数は変圧器の１次側の電源周波数、又は負荷周波数と等しくなる。
　図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２は、電動機負荷にも適用可能である。この場合は、電動機の固定子巻線をオープン結線とし、各相の固定子巻線を，図８と同様に３等分して各クラスタに接続することができる。図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２を３台用いることにより、３相電圧を発生でき、３相電動機を駆動できる。その結果、トランスレスで３相交流－３相交流の直接変換が実現できる。
　図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２を正常動作させるためは、各ブリッジセルの直流コンデンサ電圧を一定に制御する必要があるが、この制御方法は、第１の実施例の電力変換器１０１を正常動作させるための制御方法と同様で良いので、これ以上の説明は省略する。
　ここで、本発明の第２の実施例による電力変換器１０２を用いて行ったシミュレーションの結果について説明する。表２に、シミュレーションに用いた回路定数を示す。シミュレーションは、図７Ａにおける各相の交流電源部に、図８に示す変圧器の２次側巻線を接続し、１次巻線には、３．３ｋＶ，２００Ｈｚの単相交流電源を直結した。なお、変圧器の巻数比はＮ2／Ｎ1＝３とした。シミュレーションには「ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ」を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図９に第２の実施例による電力変換器１０２のシミュレーション結果（１ＭＷ、インバータ動作、力率―１）を示す。電源電圧ｖSuvに対して電源電流ｉuは１５０°進んでおり、力率－１のインバータ動作を実現している。循環電流ｉZは変圧器の動作周波数である２００Ｈｚ成分のみで構成され、系統周波数成分（５０Ｈｚ）を含まない。直流コンデンサ電圧ｖC1u，ｖC1v及びｖC1wに着目すると、その直流分は１．８ｋＶに制御できていることが分かる。交流分は系統周波数である５０Ｈｚ成分と、変圧器の動作周波数である２００Ｈｚ成分より構成する。変圧器の１次側電圧と１次側電流は同相となり、変圧器から系統に電力が伝送されている。変圧器の１次側電流には、系統周波数（５０Ｈｚ）は含まれない。
　以上、図７Ａと図８を用いて、本発明の第２の実施例の電力変換器１０２の構成を説明した。第２の実施例の電力変換器１０２では、各相のクラスタの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２、Ｔｖ２及びＴｗ２に対して反対側にある端子Ｔｕ１，Ｔｖ１及びＴｗ１に直列に、単相の交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwの一端が接続され、交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwの他端が、３相交流の他の相に接続するクラスタの、デルタ結線部に接続されている。一方、この交流電源ＶTu、ＶTv及びＶTwの代わりに、各相のクラスタの端子Ｔｕ１，Ｔｖ１及びＴｗ１に直列に、直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗの負極が接続され、直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗの正極が、３相交流の他の相に接続するクラスタの、デルタ結線部に接続された第３の実施例の電力変換器１０３が可能である。
　第３の実施例の電力変換器１０３は、図７Ａに示す破線で囲まれた部分以外の構成は、第２の実施例の電力変換器１０２と同じである。そこで、第３の実施例の電力変換器１０３の構成は、図７Ａの破線で囲まれた部分に対応する部分だけを図７Ｂに示す。第３の実施例の電力変換器１０３は、この構成により、直流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、直流電力－３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗを接続する必要があるため、必要な直流電源数は３となる。
　第３の実施例の電力変換器１０３の制御は、第２の実施例の電力変換器の制御と同じであるので、これ以上の説明は省略する。
　以上説明したように、本発明によれば、シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより、直流－３相交流電力変換器を実現することができる。また、シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に同相の交流電源を組み込むことにより、単相交流－３相交流電力変換器を実現することができ、この単相交流－３相交流電力変換器を３台使用すれば、３相交流－３相交流電力変換器を実現することができる。更に、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣのブリッジセルをチョッパセルに置き換え、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより、直流－３相交流電力変換を実現することができる。そして、これらの構成により、ＭＭＣＣの応用分野を広げることができる。
　１１ｕ－ｊ、１１ｖ－ｊ、１１ｗ－ｊ　　単位セル（チョッパセル、ブリッジセル）
　１００，１０１，１０２，１０３　　電力変換器
　ＢＣ　　ブリッジセル
　ＣＣ　　チョッパセル
　Ｃ　　直流コンデンサ
　ＣＬ、ＣＬｕ、ＣＬｖ、ＣＬｗ　　クラスタ
　Ｌ　　結合リアクトル
　ＭＭＣＣ　　モジュラー・マルチレベルカスケード変換器
　ＳＤＢＣ　　シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ
　ＳＷ　　半導体スイッチ
　Ｖｄｃｕ，Ｖｄｕｖ，Ｖｄｃｗ　　直流電源
　ＶTu、ＶTv、ＶTw　　交流電源

Claims (12)

  1. 　単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
    　前記３つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、
    　前記３つのクラスタの非電源接続側の端子が、他のクラスタに接続された前記電源の他端に接続されることでデルタ結線が構成され、
    　前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
  2. 　前記電源が直流電源であり、
    　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチと、前記２つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  3. 　前記電源が直流電源であり、
    　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  4. 　前記電源が同相の交流電源であり、
    　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
  5. 　単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
    　前記３つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された直流電源とを備え、
    　前記直流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記直流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
    　前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記直流電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
  6. 　単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
    　前記３つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された同相の交流電源とを備え、
    　前記交流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記交流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
    　前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記交流電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
  7. 　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチと、前記２つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
  8. 　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
  9. 　前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
  10. 　前記単位セルがブリッジセルである電力変換器を３台用いることにより、３相電圧を発生でき、３相電動機を駆動可能で、３相交流－３相交流の直接変換が実現できることを特徴とする請求項４又は６に記載の電力変換器。
  11. 　前記交流電源は、単相変圧器を用いた絶縁交流電源により形成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の電力変換器。
  12. 　各前記半導体スイッチは、
    　オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
    　該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
    を有する請求項１～１１の何れか１項に記載の電力変換器。
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